[科普中国]-构造应力

构造应力是由于地质构造作用引起的应力。地质构造运动（含地震）归根到底是一个岩层变形与破坏的力学过程，与之对应的应力场叫构造应力场。

简介在构造应力场研究中，我们只能知道构造运动结果（例如地表或基岩的变形和破裂情况：地震得震源和震级等），而要寻找的是造成这些结果的力源，这是一个反序的问题。在构造力场求解中，通常无法知道初始应力状态，不易弄清楚深部构造的情况和深部地质体的力学性能，只能进行模拟或假想研究。

分类按其成因，构造应力可分为惯性应力、重应力、热应力、湿应力四类。在大小和成因的统一性上，构造应力可分为基本应力和附加应力。前者是构成地壳构造应力的基础应力，属一级构造力，地球匀速和变速自转引起的应力属于此类；在空间上分为垂向主应力和水平最大主应力及水平最小主应力，垂向主应力是由静岩压力所引起的，而两个水平主应力则是由构造运动引起的，因而人们常把地应力称为构造应力。从活动的地质时期划分：新近纪以前的构造应力场称为古构造应力场，新近纪以来的构造应力场称为现代构造应力场。

模型为了分析地壳上部任何一点应力的作用方式，Vening－Meinez采用了一种简便的方法。在地球中，采用球体坐标，从地壳上层取一单元体，以地心为原点，设所取的单元体的六个面均为主平面。

由沿BB'方向的力平衡条件：

代入平衡方程式

略去高阶无穷小量：

注：ABCD是地球水平面。

上式说明，平行于水平面的各个应力分量总和的绝对值与垂直方向应力分量绝对值之比，等于地球半径与受应力作用岩层的深度d之比。如若受构造应力作用影响的地壳深度为2km的话，地球半径以6000km计算，则垂直应力分量约占水平应力分量总和的1/3000。若受构造应力影响的地壳深度为10km，则 ，从此可以看出：水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量1。

诱发微震各种地壳构造运动作用力的影响下，地壳中所产生的应力称为构造应力。

断层是岩体在构造应力作用下发生的破裂，是沿破裂面两侧的岩体发生显著位移或失去连续性和完整性而形成的一种构造形迹。 根据断层面，即岩石的裂缝和两块岩石运动过程中产生的裂缝，位置的不同特征，科学家将断层分为3种类型，正断层，逆断层，平移断层。

构造应力对断层作用引起断层的错位移动，就会在断层的附近引起大量的微震事件2。

围岩稳定性随着巷道轴向与构造应力场方向（最大水平主应力方向）夹角（0°-90°）的增大，巷道围岩受力状况逐渐趋于恶化，两帮变形量明显增大，安全率降低，对于岩性较差时这一趋势尤为突出。因此，在深井开采时，在大的方面首先选择适宜的采矿方法，如充填法，避免因构造应力而对巷道产生过大的应力集中。在布置采准切割巷道时，为了减轻巷道围岩的变形与破坏程度，巷道轴线方向尽可能与最大水平主应力方向趋于一致。当巷道不可避免地受水平应力影响时，巷道轴线尽量与构造应力以小角度相交，并且采用适当的断面形状，使断面形状与构造应力状态相适应。在满足安全生产和便于施工的前提下，巷道最好采用宽度大于高度的矩形、拱形及椭圆形巷道。因构造应力对深井巷道围岩产生的应力较大，在支护巷道时，要从能量平衡角度出发，也就是支护系统在保持持续提供抗力的前提下，能够吸收围岩变形释放出来的能量，在支护方式上，一般采用塑性支护构件3。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所